L’Internet degli animali: Icarus vola di nuovo, più veloce e più lontano

L'International Cooperation for Animal Research Using Space (Icarus) è stata una svolta tecnologica e scientifica nel tracciamento degli spostamenti della fauna selvatica dallo spazio. Nel 2020, un ricevitore Icarus ospitato sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) aveva iniziato a raccogliere dati dagli animali che indossavano trasmettitori in miniatura. Nel suo primo anno di attività, il sistema prototipo ha seguito comportamenti e migrazioni  di centinaia di animali in tutto il mondo, anche in luoghi difficili da raggiungere come gli oceani, i deserti e le foreste pluviali. Ma a marzo 2022 è iniziata la guerra della Russia contro l'Ucraina; e Icarus, che era una partnership tra le agenzie spaziali tedesca e russa, ha sospeso le operazioni.

Michael Wunder, un ecologo del'università del Colorado Denver che ha utilizzato i tag ISS per studiare i modelli di migrazione dei pivieri di montagna prima che la guerra in Ucraina interrompesse la ricerca, fa notare su Yale Environment 360 che «L'aspetto geopolitico di tutto questo è piuttosto enorme. Invece di coinvolgere le agenzie spaziali governative, la nuova iterazione del progetto mantiene gli scienziati al comando».

Nel 2021 il team di Wunder aveva taggato 17 pivieri di montagna, una specie originaria delle pianure degli Stati Uniti centro-settentrionali che negli nultimi 60 anni è diminuita dell'80%. Ma questi pivieri  sono difficili da studiare a causa del loro habitat e comportamento. «Cantano e sono rumorosi, ma non quando ci sono esseri umani e nella stagione riproduttiva amano avere il loro spazio, vivendo in densità di soli 3 uccelli per Km2. I pivieri spesso occupano ranch privati, il che li rende difficili da trovare senza violare la proprietà privata. E si riproducono a fine marzo e aprile, mentre i rilievi ornitologici, programmati per contare gli uccelli canterini migratori, avvengono a maggio».

Prima che il ricevitore ISS si spegnesse nel 2022, i tag Icarus avevano rivelato che i pivieri non seguivano rotte migratorie fisse e che gli esemplari provenienti da tutti gli Usa si mescolavano in inverno. Quando morirono diversi uccelli dotati di trasmrtotori, Wunder è stato in grado di inviare ricercatori a trovarli e scoprire la causa della morte: la predazione. Gli uccelli iniziarono a tornare in Colorado a febbraio e Wunder era ansioso di vedere quali sarebbero tornati, ma poi iniziò la guerra in Ucraina. «Eravamo tagliati fuori, non c'erano più informazioni».

15 mesi dopo, Icarus ha ripreso il volo: un satellite sperimentale è stato lanciato con successo in orbita da Vandenberg in California, con l'obiettivo di testare la funzione del segnale e altre capacità. Questa fase sperimentale ha aperto la strada al sistema finale. A giugno l'International Cooperation for Animal Research Using Space (Icarus) ha iniziato a testare un sistema di tracciamento sperimentale nello spazio, dimostrando così che il programma pionieristico per il monitoraggio della fauna selvatica dallo spazio è destinato a continuare. Il nuovo ricevitore Icarus volerà su CubeSat,  un satellite molto piccolo, per raccogliere dati dagli animali che trasportano piccolissimi sensori  e per la prima volta Icarus avrà una copertura globale totale, rilevando uccelli, pipistrelli, rettili marini e mammiferi terrestri ovunque sulla Terra. L'attuale fase di test pone le basi per il sistema operativo, che avrebbe dovuto iniziare la raccolta dati a ottobre, ma ci sono ritardi burocratici e finanziari – risolvibili – che stanno ritardando l’iter previsto.

Martin Wikelski, che guida il progetto al Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie, spiega che «Il nuovo sistema spaziale porterà avanti la missione di Icarus con una serie di miglioramenti, tra cui una maggiore efficienza energetica, una trasmissione dati più rapida e una copertura globale totale. Questo significa che, ovunque sulla Terra, gli animali possono comunicare informazioni preziose sulla loro salute e su quella del loro ambiente. L'obiettivo è creare un "internet degli animali" che possa dire ai ricercatori come stanno cambiando gli ecosistemi e il clima e come gli animali stanno rispondendo a tali cambiamenti. Icarus è tornato nello spazio, E ora abbiamo una visione della vita sulla Terra ancora migliore di prima».

Ispirato dall’"internet delle cose" , Icarus continua con successo di tracciamento della fauna selvatica dallo spazio: sensori leggeri attaccati agli animali trasmetteranno dati sui loro movimenti e  comportamento a un ricevitore nello spazio, che a sua volta trasmetterà i dati sulla Terra. Il primo ricevitore e computer del progetto erano ospitati sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS).  Il nuovo sistema Icarus su CubeSat misura 10  centimetri su tutti i lati e pesa circa 2 chilogrammi, è più piccolo, più efficiente e più potente dell’infrastruttura montata sull’ISS che comprendeva un'antenna lunga tre metri e un computer delle dimensioni di un desktop, il nuovo sistema Icarus ha miniaturizzato tutto questo in un'antenna pieghevole di 20 centimetri e in un computer delle dimensioni di un pollice. Rispetto al suo predecessore della ISS, il nuovo ricevitore Icarus consumerà un decimo dell'energia ma può leggere 4 volte più sensori animali contemporaneamente. In questo modo, gli scienziati possono scaricare dati e riprogrammare i sensori da remoto più velocemente. Wikelski, che è anche professore all’Universität Konstanz, sottolinea: «Abbiamo sfruttato i balzi in avanti tecnologici degli ultimi anni per semplificare le nostre operazioni. Ora, gli scienziati possono comunicare con i sensori in modo molto più efficiente tramite il ricevitore Icarus nello spazio».

I CubeSat sono satelliti molto piccoli composti da Unità (U), cubi da 10 centimetri, che essere assemblati per costruire CubeSat di dimensioni comprese tra 1U e 16U. Essendo piccoli e relativamente poco costosi, i CubeSat sono sempre più utilizzati da università e istituti di ricerca  per realizzare missioni scientifiche che prima non sarebbero state possibili. Per la sua missione nello spazio del 2024, Icarus farà parte di un carico utile più grande da 8U dell’Universität der Bundeswehr München che comprenderà diversi esperimenti scientifici. Insieme, saranno ospitati su un CubeSat 16U gestite dalla Startup Company OroraTech.

Il payload ospitato dall'Università della Bundeswehr – le forze armate della Germania - fa parte di SeRANIS, una missione pionieristica di scienza spaziale supportata dal dtec.bw Zentrum für Digitalisierung und Technologieforschung der Bundeswehr im Rahmen dtec.bw Center for Digitization and Technology Research nell’ambito del programma di stimolo economico della Germania per superare la crisi del Covid-19. Andreas Knopp, responsabile del programma SeRANIS e partner di lunga data di Icarus, ha detto: «Sfruttando la tecnologia delle comunicazioni all'avanguardia, Icarus è stato un programma senza pari per la conservazione della fauna selvatica. Siamo lieti e onorati di continuare il nostro percorso di ricerca di prima classe fornendo un posto nello spazio per il nostro ricevitore Icarus di prossima generazione».

Il CubeSat che ospita  Icarus, come la ISS e molti altri satelliti, sarà in orbita terrestre bassa, o "LEO". I ricercatori spiegano chew «A questa distanza relativamente breve dalla Terra, il CubeSat può girare intorno al pianeta più volte al giorno, il che significa che può coprire ogni punto della superficie terrestre ogni giorno. Al contrario, la ISS non copre le regioni artiche e polari oltre la Svezia meridionale a nord e la punta meridionale del Cile a sud. Con il suo percorso orbitale migliorato, il ricevitore Icarus può raccogliere dati dai sensori indipendentemente da dove si trovi l'animale: nei deserti, sui campi ghiacciati polari, sugli oceani o nel cielo». Wikelski afferma che «Con una copertura globale totale, abbiamo rafforzato la nostra missione di monitoraggio globale della biodiversità animale. Ora possiamo anche monitorare le regioni polari che sono maggiormente a rischio a causa del cambiamento climatico».

Con un singolo ricevitore Icarus nello spazio, i dati saranno letti una volta al giorno, fornendo così ai ricercatori aggiornamenti regolari sul comportamento degli animali. In futuro, il sistema sarà esteso su una rete di ricevitori satellitari che aumenteranno il numero di letture di dati giornaliere. Attualmente  sono in progettazione un secondo ricevitore CubeSat da lanciare nel 2025 e un terzo nel 2026. L'obiettivo è quello di avere abbastanza ricevitori nello spazio per fornire una trasmissione di dati quasi in tempo reale, un risultato che avrebbe importanti implicazioni per la conservazione della biodiversità.

Wikelski è convinto che «I dati in tempo reale forniranno ai responsabili della conservazione in tutto il mondo l'opzione di salvaguardare la biodiversità in modo molto più efficiente».

I piani futuri di Icarus includono anche un design migliorato dei sensori che attualmente pesano solo pochi grammi e registrano la posizione GPS di un animale, il movimento e l'ambiente circostante, come temperatura, umidità e pressione. Le nuove funzionalità includono la comunicazione bidirezionale, in modo che i sensori possano essere riprogrammati tramite istruzioni inviate in remoto attraverso lo spazio. E l'intelligenza artificiale a bordo può aiutare a "decidere" quali dati devono essere raccolti in base al comportamento dell'animale. I sensori si ridurranno ulteriormente dimensioni e peso a circa la metà dei valori attuali.

Ellen Aikens, una biologa dell'Università del Wyoming che ha svolto la sua ricerca post-dottorato sulla migrazione degli animali al Max Planck Institute, ritiene che «Icarus potrebbe fungere da "forza democratizzante" in ecologia e biologia. E’ un modo per livellare il campo di gioco, in modo che le persone che hanno un budget più piccolo o che lavorano su specie un po' più oscure e che non hanno molti finanziamenti possano iniziare a ottenere lo stesso tipo di informazioni, informazioni di base, su dove stanno andando quegli animali».

La  Aikens sta studiando le aquile reali usando un tag e-obs e dice che «E’ il gold standard del biologging nella ricerca sugli uccelli, se telo puoi permettere e se il tuo volatile è abbastanza grande da trasportare il trasformatore, come oche, cicogne e aquile. Un singolo tag e-obs costa più di 1.500 dollari e funziona su una rete cellulare, il che significa che i ricercatori devono anche pagare il costo della trasmissione dei dati per tutta la vita dell'animale. Se vuoi ottenere una buona dimensione del campione che ti consenta di pubblicare la tua ricerca, i costi si sommano molto rapidamente. I tag Icarus sono più economici di un ordine di grandezza. Icarus contribuirà a trasformare il modo in cui gli scienziati studiano gli animali. I nostri vicini non umani possono prendere il polso del pianeta ed essere rilevatori di cambiamenti e aiutarci a comprendere la salute dell'ambiente. Mentre gli animali si spostano su queste grandi distanze, possono raccogliere informazioni ambientali dettagliate che possono informare meglio i modelli climatici e raccogliere informazioni in luoghi difficili da monitorare».

Wikelski aggiunge: «Abbiamo passato l'ultimo anno a ottimizzare il design dei sensori e a fare progressi nell'intelligenza artificiale. Quel che abbiamo ora è simile a un balzo in avanti quantico: un sistema che aiuta l'animale a raccontarci le sue storie più importanti». Il suo team sta studiando e perfezionando i metodi di marcatura degli animali con un minore stress e testando sistemi di marcatura automatici, come quello per i cervi che prevedeva una leccata di sale e un piccolo elastico.

Wikelski  resta molto fiducioso del potenziale di Icarus: «Un aspetto davvero importante che pensiamo sia trasformativo in biologia è l'aumento della marcatura. Quindi non si ha un animale ma 50 o 100, o lo si fa in un continente». Nei prossimi due anni ha in programma di marcare 9.000 animali in Europa, tra cui merli, tordi,  rondoni e passeri in uno studio già in corso e conclude: «In base a modelli generali, circa 7.000 di quei 9.000 morirebbero nel primo anno. Questo  significa che stiamo finalmente capendo dove scompaiono. Dove sono le trappole mortali? Questi tag sono così intelligenti che possono dirci se una femmina sta nidificando e se la covata scompare. Quindi possiamo non solo ottenere informazioni su dove gli adulti vivono e muoiono, ma se gli adulti sono riusciti a fare la schiusa o a covare? C'è un problema enorme in una determinata area? Quindi possiamo collegare gli individui alle popolazioni e comprendere i fattori determinanti del cambiamento».